研磨設備及參數對鈣鎂懸浮液性能影響的研究

劉翠俠，楊心師，馬 航，匡家靈，李瑩瑩，鄔斌威，謝德龍

（1.昆明理工大學 化學工程學院，云南 昆明 650500；2.云南云天化股份有限公司 研發中心，云南 昆明 650228）

懸浮肥料生產工藝分為前期準備、原料混合和后期處理3個階段，粉碎研磨屬于前期準備過程中非常重要的作業環節，很大程度地影響主反應混料和最終產品的存放與使用。若將肥料顆粒視為理想的球體，其沉降速率符合Stokes定律，即懸浮體系中粒子的沉降速率與粒子直徑、分散相與分散介質之間的密度差、分散介質黏度直接相關，粒子直徑越小，密度差越小，黏度越大，粒子的沉降速率越慢，體系也越穩定，其中粒徑是主要影響因素。粉體是固體的破碎和微細化，微細化過程即為小粒子內作用的結合力不斷被機械作用破壞，體系總能不斷增加的過程［1］。粉碎機按粉碎方式可分為機械式粉碎機、氣流粉碎機、研磨機、低溫粉碎機［2］等。

由于不同粉碎設備的粉碎方法、原理和物料特性不同，在使用時對進料的粒度大小和水含量要求有區別，導致出料粉末的粒度、雜質含量以及產品質量出現差異性。從出料粒度上看，超細微粉磨機、砂磨機和氣流粉碎機均能使顆粒粒度達到小于38 μm，是獲得細顆粒物質的較優設備。針對鈣鎂懸浮體系，如何選擇合適的設備，需根據物料的實際研磨情況確定。

1 實驗部分

1.1 試劑

鈣鹽、鎂鹽、分散劑，均為外購。

1.2 儀器設備

1000 型高速多功能粉碎機（武義海納電氣有限公司）；Bettersize2600 型激光粒度儀（丹東百特儀器有限公司）；NDJ-5S旋轉黏度計（上海平軒科學儀器有限公司）；XMB-70 型三輥四筒棒磨機（武漢探礦機械廠）；QM-3SP2 行星式球磨機（南京大學儀器廠）；氣流粉碎機（安丘市經欣粉體加工設備有限公司）；膠體磨機CMSD2000/4（上海依肯機械設備有限公司）；RTSM-400 高速分散機（上海儒特機電設備有限公司）；RTSM-0.5AD臥式砂磨機（上海儒特機電設備有限公司）。

1.3 實驗方法

用研磨設備研磨物料，調整并控制研磨參數，分析研磨后樣品的各項指標。砂磨機的研磨介質及介質填充量須與研磨介質的材質和粒徑大小進行配伍。楊金霖提到研磨介質直徑應在物料粒度的35 倍左右，且推薦填充率為70%～80%［3］。實驗研磨介質選擇w（鋯）95%的氧化鋯珠，填充率為70%，采用低溫恒溫反應浴控制研磨腔內溫度。

2 結果與討論

2.1 設備研磨效果

為探究研磨設備對懸浮體系原料的研磨效率，用不同的研磨機研磨鈣鹽30 min，然后取樣分析粒徑分布、鈣含量及鐵含量，結果見表1。

表1 不同研磨機的出料粒度與雜質含量對比

2.2 原料預處理對砂磨出料粒度的影響

為探究砂磨之前是否有必要對原料進行預處理，1#樣品原料不處理，2#樣品原料用高速粉碎機預處理，2種樣品的初始固液質量比均為7∶3，經高速分散機均勻分散后，用砂磨機研磨10 min，分析研磨前后的物料粒徑分布，結果見表2。

表2 原料預處理對出料粒徑的影響

原料經過預處理后，其D90由589.4 μm 減小到105.7 μm，再經過砂磨的出料D90為19.06 μm，比未經預處理的原料出料粒度小很多。也就是說，原料進料粒徑越小，相同時間砂磨后的出料粒徑就越小，預處理在一定程度上可以提高砂磨機的研磨效率。

2.3 不同物料砂磨出料粒度變化

為探究懸浮體系中兩種原料研磨難易程度，分別取鈣鹽、鎂鹽以及鈣鹽和鎂鹽按一定比例的混合物分散研磨，設定各樣品初始的固液質量比為7∶3，鈣鎂鹽混合物中鈣鹽、鎂鹽的質量比為7∶3，研磨時間10 min，研磨前后物料粒徑分布見表3。

表3 不同物料研磨前后的粒徑變化

不同物料的磨碎程度不同，鈣鹽研磨后D10、D50和D90的變化率分別為62.27%、69.63%和79.16%，鎂鹽研磨后D10、D50和D90的變化率分別為85.00%、84.87%和82.50%，鎂鹽的變化率比鈣鹽以及鈣鎂鹽混合物都大，說明該懸浮體系的原料中鎂鹽更易研磨。破碎的產生是由于物料之間的內聚力被破壞，而內聚力的大小主要取決于物料本身的性質和結構，不同物料的硬度和脆性等性能不同，也就導致在同一機器和參數水平下，研磨結果不同。

2.4 固液質量比對砂磨出料粒度的影響

為了探究鈣鎂懸浮體系中固液質量比對研磨出料粒度的影響，設置樣品的固液質量比分別為3 ∶7、4 ∶6、5 ∶5、6 ∶4、7 ∶3，在2 000 r/min 的轉速下研磨10 min，對每個樣品的粒徑分布和最終出料液含量進行分析計算，結果見表4。

表4 固液質量比對研磨粒徑的影響

由表4可知，固液質量比對鈣鎂鹽的粒徑分布幾乎無影響，出料料漿的粒徑D10、D50、D90分別約為1、10、19 μm。但不同固液質量比下出料狀態差別很大，固體的比例從低到高時，出料狀態越來越黏稠，料漿流動性越來越差。為了描述樣品流動性和黏稠性之間的關系，對其黏度值進行測定。由于出料的各樣品之間固液比差距比較大，故測定黏度時選用不同型號的轉子，30 ℃下各個固液質量比的樣品在不同轉速下的黏度值見圖1。

圖1 各固液質量比樣品在不同轉速下的黏度值

由圖1可知，由于出料是非均勻分散體系，即非牛頓流體，它在不同的剪切速率下有不同的表觀黏度，不同類型的流體具有剪切稀釋性或剪切增稠性，因此最低轉速下的黏度值更接近真實值。從圖1可知，隨著固液質量比升高，轉速為6 r/min時的料漿黏度越來越大，固液質量比為3 ∶7 時黏度值為101 mPa·s，固液質量比為7 ∶3 時黏度達到了35 000 mPa·s，并且料漿的剪切稀釋性越來越強，流動性越來越差。綜合以上結果，料漿中固相物質量分數對研磨效果影響較小，而料漿中固相物質量分數越高，其黏性運動產生剪切摩擦所消耗的能量越高［5］，結合懸浮體系的養分含量和流動性考慮，確定適宜的料漿固液質量比為5 ∶5。

2.5 研磨時間對出料粒度的影響

為探究鈣鎂鹽的合適研磨時間，用相同配比的原料進行研磨，間隔10 min取樣，對樣品粒徑分布和液含量進行分析計算，結果見表5。

表5 不同研磨時間出料的粒徑變化

由表5可知，隨著研磨時間增加，粒徑越來越細，前50 min內料漿的D90從18.75 μm減少到14.38 μm，減小較為顯著。但研磨時間為60 min時料漿的D90比50 min時略有上升，從理論上來看，物料在高速碰撞的機械作用下被粉碎成超細的比表面積大的顆粒，但在范德華力、機械力等的作用下，小的顆粒重新團聚在一起形成“二次粒子”［6］從而減小表面能，最終導致顆粒的粒徑變化出現“平臺”或微微“回升”。隨著物料被研磨得越來越細，粒徑越小的物料再被磨細的難度更大［7］。另外，研磨時間越長顆粒的比表面積及體系黏度越大［8］，需要加更多的水，對液含量也有影響，綜合考慮經濟和技術效益，鈣鎂鹽的最佳研磨時間為50 min。

2.6 不同分散劑及復配物對出料粒度的影響

由于懸浮體系不同，研磨時選用不同的分散劑會有不同的研磨效果，而分散劑復配后相互作用會產生拮抗或協同效果，改善體系的生物相容性和可降解性［9］，且后續的冷儲和熱儲對懸浮體系的粒徑也有很大影響，故優選出3種分散劑及其兩兩復配物分別添加到研磨過程中，添加量為3%，復配物之間質量比為1 ∶1，研磨時間10 min，固液質量比為7 ∶3，對出料粒徑分布、冷儲7 d粒徑分布和熱儲14 d粒徑分布進行分析，結果見表6。

表6 不同分散劑對研磨粒徑的影響

由表6可知，分散劑的添加對研磨粒徑有很大程度的降低，以5號樣品最為顯著，其D90在7.98 μm。如果顆粒在液體中分散性好，顆粒之間不易聚集和粘結，粒徑變化會比較小［10］。在較高固液質量比下，所有樣品在冷儲和熱儲時粒徑都會不同程度的增大和團聚，空白樣品冷熱儲后D90在30 μm 左右，而分散劑的添加相對于空白樣來說，會減小儲存過程中粒徑增加和團聚的程度，其中5號樣品冷熱儲后D90為13 μm左右，效果最好。600倍電子顯微鏡下，5 號樣品與1 號樣品熱儲后的顆粒狀態見圖2。

圖2 研磨熱儲后的顆粒狀態

從圖2可以看出，1號空白樣的顆粒比較大，5號樣品顆粒相對比較小，說明分散劑的添加對熱儲后的顆粒粒徑增長有很大的改善；此外，后續懸浮肥開發過程中也要用到分散劑來防止顆粒絮凝，降低體系黏度及保持流動性［11］。因此，分散劑的添加對研磨過程和體系穩定很有必要。

3 結論

選擇砂磨機作為研磨設部，探索原料預處理、不同原料、固含量、研磨時間、不同助劑對出料粒徑的影響。結果表明，原料的預處理可以減小出料粒徑；相比于鈣鹽，鎂鹽更易研磨；固含量對粒徑沒有明顯的影響，但結合目標懸浮體系的養分含量和流動性，選擇初始固液質量比為5 ∶5；研磨時間優選50 min；添加助劑有利于提升研磨效果，助劑A與B的復配物在影響物料研磨細度以及抑制原料在冷儲、熱儲過程中粒徑變大的情況有更好的效果。這些結論為后續懸浮液的研究開發工作提供了可靠的數據支持。